В конце 1963 г. государственная комиссия вынесла положительное заключение по проекту Т-4, самолет был принят к разработке, начало летных испытаний было намечено на 1968 г.
В 1964 г. завершились работы по эскизному проекту разведчика-бомбардировщика. Самолет, выполненный по схеме «утка», должен был иметь четыре двигателя, расположенных попарно в двух подкрыльевых гондолах. Вооружение (три УР) размещалось на параллельных узлах подвески между мотогондолами.
В октябре 1964 г. Государственный комитет по авиационной технике одобрил эскизный проект самолета Т-4. Первоначально, в соответствии с правительственным решением, к проектированию самолета планировалось привлечь ОКБ и опытный завод им. С.А. Лавочкина, где имелся богатейший опыт создания скоростных летательных аппаратов (в частности, истребителя Ла-250, межконтинентальной крылатой ракеты «Буря» со скоростью, соответствующей М=3, и беспилотного перехватчика «Даль»), однако эти коллективы вскоре «ушли» в другое министерство и полностью переключились на ракетно-космическую тематику. В конечном итоге для постройки самолета был выделен Тушинский машиностроительный завод (ТМЗ, в дальнейшем известный тем, что на нем был построен ВКС «Буран») и МКБ «Буревестник», получившее статус филиала ОКБ Сухого. Первоначально дирекция ТМЗ сопротивлялась передаче предприятию новой тематики, убеждая руководителей самого высокого уровня, что создание нового самолета заводу не под силу. Однако их усилия оказались тщетными, и с 1966 г. на ТМЗ началась подготовка к постройке «сотки».
Неоднозначно проект ОКБ П.О. Сухого был встречен и в министерстве, где высказывались сомнения в возможности реализации заявленных требований (в частности, достижения крейсерской скорости, соответствующей М=3). Вызывал настороженность и ряд технических новинок, заложенных в конструкцию самолета, в частности электродистанционная система управления, впервые в мире создававшаяся для серийной машины (первый американский самолет с ЭДСУ истребитель Дженерал Дайнэмикс F-16 был создан в 1974 г., на два года позже «сотки»). На одном из заседаний НТК МАП проект бомбардировщика П.О. Сухого был подвергнут критике со стороны А.Н. Туполева, заявившего, в частности: «Сухой не справится с такой машиной. Я это утверждаю, потому что он мой ученик», на что Павел Осипович ответил: «Именно потому, что я ваш ученик, справлюсь!»
Главным конструктором Т-4 был назначен Н. Черняков. Непосредственное участие в создании самолета принял шеф-пилот фирмы В.С.Ильюшин, совершивший впоследствии первый испытательный полет на новой машине. В 1963-65 гг., после рассмотрения более 30 вариантов аэродинамических и конструктивных компоновок, большого объема продувок в АДТ ЦАГИ и СибНИА конфигурация самолета была «заморожена». В окончательном виде схема самолета несколько отличалась от той, что была воплощена в эскизном проекте: четыре двигателя разместили в единой подфюзеляжной гондоле, а в качестве силовой установки были выбраны ТРДФ РД-36-41 Рыбинского бюро моторостроения, создаваемые под руководством П.А. Колесова.
